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DES USINES DE ROSÉE ?
Le concept de condensateurs de rosée promu par l'association OPUR
Daniel BEYSENS
directeur de recherche
CEA – Commissariat à l'énergie atomique
ESPCI – École supérieure de physique et chimie industrielle de Paris
président et membre fondateur de OPUR
H2o –avril 2008
La rosée, tout le monde connaît. On la découvre, au petit matin, quand
le soleil est à peine levé, et qu’elle recouvre l’herbe des prés de
gouttelettes diaphanes et argentées qui scintillent au soleil. Si frêle qu’un rayon de soleil suffit à la volatiliser, mais si
solidement accrochée au brin d’herbe. Pure comme le diamant, et
pourtant si fragile... Les alchimistes ne s’y
étaient pas trompés, qui en faisaient l’un des ingrédients majeurs
d’élaboration de la Pierre Philosophale. Sa transparence était à
récolter au petit matin (mais peut-on la récolter différemment ?),
déroulant un linge sec sur herbes et feuillages pour l’imbiber de
myriades de gouttelettes de rosée. Après essorage, l’eau pure est
recueillie pour le "Grand Œuvre". La rosée a, semble-t-il d’autres
vertus : elle fait venir la beauté aux femmes qui, comme en Ukraine, se
roulent nues dans la rosée matinale. Elle guérit les maladies de peau.
Et bien d’autres choses encore…
La rosée, source d’inspiration des arts
et des lettres, est aussi très présente dans les religions. Dans la
Bible, les Écritures emploient le mot "rosée" au sens figuré, pour
désigner tout ce qui, sans bruit, et même de façon invisible, apporte
rafraîchissement et bénédiction...
D'où vient la rosée ?
"La rosée est formée d’eau. Elle se forme la nuit, quand le ciel est dégagé". Ces quelques mots résument parfaitement le phénomène.
Au contact d'un support froid, la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère se métamorphose en fines gouttelettes d’eau liquide. Pour que le phénomène se produise, il faut que le support soit plus froid que l’atmosphère ambiante. L’agitation thermique désordonnée des molécules de vapeur dans l’air se transforme en ordre liquide grâce à la température plus basse et à la structure organisée du support : c’est le phénomène de condensation. Cette température, où la vapeur d’eau est sursaturée et se transforme en eau liquide est précisément appelée "température de rosée".
Les gouttes de pluie et de brouillard naissent, elles aussi, sur des supports, mais des supports microscopiques : poussières, grains de sable du désert, embruns marins… qui sont autant de germes favorisant la condensation. Les pluies et brumes sont ainsi comme une rosée du ciel.
L’importance des échanges radiatifs dans la température des surfaces où la rosée se forme a été suspecté très tôt dans la formation de la rosée ; l’hypothèse est sous-jacente dans le premier livre sur ce sujet, par William Charles Wells "An essay on dew, and several appearances connected with it", publié en 1814 à Londres. Les échanges radiatifs ont, pour simplifier, deux actions antagonistes : chauffage, par le rayonnement solaire, et refroidissement, principalement par émission infrarouge, le rayonnement qu’émet un matériau à température ambiante. Le jour, le chauffage direct ou indirect du soleil l’emporte sur le refroidissement. La nuit, sans chauffage solaire, le substrat se refroidit. Bien évidemment, les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère comme le gaz carbonique et surtout la vapeur d’eau limitent le refroidissement infrarouge. Le refroidissement peut même s’annuler quand la couverture nuageuse est dense : c’est pour cela que la rosée se forme pendant les nuits claires.
Si la rosée est appréciée pour la fraîcheur qu'elle apporte les petits matins d'été et pour l'humidité qu'elle procure aux plantes, même en périodes sèches, la gelée blanche ou givre est elle généralement guère appréciée. S’il y a givre, c’est parce que la température de la surface descend en dessous de zéro degré et que les gouttelettes de rosée ont gelées. Ces gouttelettes gelées continuent de grossir sous forme d’aiguilles de glace qui forment le givre, véritable "cristal" de rosée.
Rosée et givre se produisent pourtant de la même manière et exigent les mêmes conditions : un ciel nocturne dégagé, un fort rayonnement d'où une baisse des températures, un vent calme et une forte humidité.
La croissance des gouttelettes de rosée s’effectue selon des règles simples, qui conduisent à un ordre étonnant. Quand de petites gouttelettes naissent sur une surface, elles sont de très petite taille, de l’ordre de quelques millionième de millimètre. Elles grossissent en agglomérant les molécules de vapeur autour d’elles : ce sont de véritables "pompes à molécules". En augmentant leur taille, elles vont se toucher et fusionner – c’est le phénomène de coalescence – et former une nouvelle goutte, plus grosse et de même forme, mais occupant moins de place que les deux gouttes précédentes. Le résultat est surprenant, mais il est simplement dû au fait que les gouttes "poussent" dans une dimension différente de la surface, la troisième dimension. Quelles que soient les tailles des gouttelettes, de l’ordre de quelques longueurs atomiques, comme on les détecte durant la fabrication de couches minces pour la nano-électronique, ou des millions de fois plus grosses, comme celles que nous observons à l’œil nu sur les feuilles du jardin ou les vitres embuées de nos cuisines, la surface restera sèche en permanence sur presque sa moitié. Il en résulte des propriétés "universelles" de la rosée, que nous ne détaillerons pas ici, mais qui rend ce modèle très populaire parmi les scientifiques qui étudient les propriétés statistiques de la matière. Et on sait même faire "sauter les gouttes de rosée" Si la température du solide sur lequel se dépose la rosée est proche de son point de fusion, la chaleur (latente) que le solide doit évacuer pour que les molécules désordonnées de vapeur se "calment" et s’ordonnent en liquide, est suffisante pour liquéfier le substrat. La goutte se met alors véritablement à "sauter" une danse de Saint-Gui. Plus surprenant encore : les gouttes de rosée peuvent même "parler" entre elles : quand elles se touchent et fusionnent, elles émettent un petit "cri" qui peut être rendu audible.
